陳 德/ 鐘志強(qiáng) /何 鋒

(1. 廣東電網(wǎng)公司湛江供電局, 廣東 湛江 524005; 2. 深圳市海思瑞科電氣技術(shù)有限公司, 廣東 深圳 518101)

1 引言

隨著我國科學(xué)技術(shù)、社會經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，用電需求不斷提升，電能在工業(yè)生產(chǎn)與日常生活中扮演著日益重要的角色，人們對電能質(zhì)量的要求也越來越高。理想公用電網(wǎng)提供的電壓應(yīng)是一固定頻率和幅值的正弦波，而在實(shí)際電網(wǎng)中，由于非線性因素導(dǎo)致了諧波電流和諧波電壓的出現(xiàn)，影響電能的正常使用。

如何進(jìn)一步提高電能質(zhì)量、有效地抑制電網(wǎng)中的諧波已引起廣泛關(guān)注。許多專家和學(xué)者一直在研究和開發(fā)動態(tài)可調(diào)裝置來解決電能質(zhì)量問題，其中具有代表意義的是有源電力濾波器。從目前國內(nèi)外的情況來看，利用有源電力濾波器進(jìn)行諧波治理，提高電能質(zhì)量是今后的一個(gè)發(fā)展趨勢。

2 有源電力濾波器簡析

2.1 應(yīng)用背景

諧波被公認(rèn)為是公用電網(wǎng)的主要污染源，以往主要通過無源濾波裝置進(jìn)行治理。雖然無源濾波結(jié)構(gòu)簡單、可靠性高、容量大、成本低，但受限于濾波原理，傳統(tǒng)濾波器不僅體積大、損耗大，只能消除特定次諧波，濾波效果受電網(wǎng)影響較大，還存在發(fā)生諧振的隱患。

伴隨大功率電力電子開關(guān)器件的出現(xiàn)，瞬時(shí)無功理論體系的提出以及數(shù)字信號處理和控制技術(shù)的不斷成熟，極大地促進(jìn)了有源濾波的發(fā)展和應(yīng)用。隨著濾波效果的不斷提升，有源濾波器成為治理諧波污染、提升電網(wǎng)電能質(zhì)量的有效途徑和重要趨勢。

2.2 工作原理及分類

有源電力濾波器由電流跟蹤控制電路、指令電流運(yùn)算電路、驅(qū)動電路和主電路構(gòu)成，其基本工作原理是通過檢測補(bǔ)償對象的諧波電流，產(chǎn)生與之大小相等而相位相反的電流，注入電網(wǎng)，從而達(dá)到實(shí)時(shí)補(bǔ)償諧波電流的目的。隨著有源電力濾波器的廣泛應(yīng)用，APF的種類也越來越多。在工程實(shí)踐中，按接入電網(wǎng)方式的不同，有源濾波器可分為并聯(lián)型、串聯(lián)型和混合型。

并聯(lián)型可看作受控電流源與負(fù)荷并聯(lián)，適用于補(bǔ)償電流型諧波源。串聯(lián)型可看作以電壓源的方式補(bǔ)償電網(wǎng)中存在的暫態(tài)或穩(wěn)態(tài)電壓畸變，適用于補(bǔ)償電壓型諧波源。結(jié)合PF硬件構(gòu)成容易實(shí)現(xiàn)、價(jià)格低廉以及APF補(bǔ)償能力較為全面等優(yōu)點(diǎn)，形成了混合型APF裝置，可以達(dá)到理想的補(bǔ)償效果。

3 電力有源濾波器工程運(yùn)用

3.1 常見諧波源分析

諧波不僅可按諧波次數(shù)分為奇次諧波和偶次諧波，也可以按照諧波來源不同進(jìn)行區(qū)分。要提高電能質(zhì)量，進(jìn)行諧波治理，就必須對諧波源有充分的認(rèn)識，了解諧波源的特點(diǎn)，有針對性地治理，才能取得效果。電網(wǎng)中諧波源大概可以分為三類：含有變壓器等鐵磁非線性諧波源、電弧爐等非線性沖擊性負(fù)載、各種電力電子變換器。不同行業(yè)諧波源也不同，需要區(qū)別對待分別治理，及時(shí)發(fā)現(xiàn)及時(shí)治理，以減少諧波危害帶來的損失。各行業(yè)諧波源簡析表如圖1所示。

圖1 各行業(yè)諧波源簡析表

3.2 諧波分類治理

諧波治理方案的選擇應(yīng)用涉及到諸多因素，常規(guī)項(xiàng)目可以根據(jù)使用的電能質(zhì)量分析儀直接檢測諧波電流。而對于新建項(xiàng)目，電氣設(shè)計(jì)人員在設(shè)計(jì)階段并不能獲取足夠的電氣設(shè)備諧波數(shù)據(jù)，必須通過實(shí)踐積累來判斷。

“這種事連我都不信，你們還當(dāng)真了?！币幌蜃栽倿閻酆驼x化身的夏霖聽到這個(gè)傳聞后就開始懷疑真實(shí)性。在同學(xué)們眼中，夏霖一直是個(gè)中二少女，但看過上百本奇幻小說的她卻覺得自己是個(gè)魔法少女，天不怕地不怕。于是，她決定去現(xiàn)場一探究竟。

1)集中治理

適用于負(fù)載類型比較多的配電系統(tǒng)，非線性負(fù)載數(shù)量龐大、分散，并且單臺非線性負(fù)載諧波含量較小。集中治理目前應(yīng)用廣泛，在母線上進(jìn)行集中治理只可以保證公共電網(wǎng)的質(zhì)量，諧波對企業(yè)內(nèi)部電網(wǎng)的危害根本沒有得到改善。

式中，S為變壓器額定容量；U為變壓器二次額定電壓；I為諧波；THDi為總畸變率；K為負(fù)荷率。

2)就地補(bǔ)償

適用于單點(diǎn)諧波含量較大，且分布較為分散的配電系統(tǒng)?？紤]到各諧波測試點(diǎn)比較分散，諧波電流畸變率都很大，采用就地補(bǔ)償?shù)姆桨副容^合適。就地治理不僅可以保證公共電網(wǎng)的質(zhì)量，也能滿足企業(yè)內(nèi)部對電能質(zhì)量的要求。

其諧波電流計(jì)算公式為：

4 電力有源濾波器工程治理分析

某大劇院項(xiàng)目中，因受到舞臺燈光、舞臺機(jī)械控制驅(qū)動系統(tǒng)等大量非線性負(fù)荷的諧波污染，大大降低了配電系統(tǒng)的供電電能質(zhì)量，造成視頻音響設(shè)備大量失真和舞臺機(jī)械驅(qū)動及控制設(shè)備加速老化，嚴(yán)重影響舞臺機(jī)械設(shè)備的使用安全，給大劇院低壓配電系統(tǒng)帶來巨大的危害及安全隱患。

4.1 電能質(zhì)量諧波檢測

項(xiàng)目共設(shè)六個(gè)測試點(diǎn)，位于負(fù)荷斷路器的上口，諧波檢測示意圖如圖2所示，測試數(shù)據(jù)如表1所示，諧波治理前波形、頻譜圖如圖3所示。從測量數(shù)據(jù)可以看出，每個(gè)測試點(diǎn)的電流畸變率都非常高，三次諧波很大，嚴(yán)重的電流畸變會對劇院配電系統(tǒng)產(chǎn)生嚴(yán)重的影響，導(dǎo)致中線電流很大，可能會造成安全隱患，需要通過有效的諧波治理使整個(gè)系統(tǒng)工作在安全、穩(wěn)定的環(huán)境中。其中，歌舞廳舞臺燈光(1#)、舞臺機(jī)械(3#)諧波污染最為嚴(yán)重，下文將著重描述。

表1 劇院項(xiàng)目諧波治理前后數(shù)據(jù)對比

4.1.1 舞臺燈光諧波分析

大量的燈光設(shè)備損壞及調(diào)光設(shè)備的失控，無法保證演出效果。

4.1.2 舞臺機(jī)械諧波分析

在舞臺機(jī)械的電能質(zhì)量測試中，其電流畸變率達(dá)到了73%，電流波形與標(biāo)準(zhǔn)的正弦波相差很大。經(jīng)測試，諧波電流以3、5、7次為主。現(xiàn)場的三次諧波比較嚴(yán)重，導(dǎo)致中線電流較大，達(dá)到了120.5A。諧波會造成舞臺機(jī)械驅(qū)動及控制設(shè)備的加速老化，嚴(yán)重時(shí)還會直接導(dǎo)致設(shè)備失控或燒毀，嚴(yán)重影響舞臺機(jī)械設(shè)備的使用安全，并且大量增加了舞臺機(jī)械日常維護(hù)的工作量，影響演出效果。

4.2 治理方案

根據(jù)電能質(zhì)量的檢測數(shù)據(jù)和分析，以及測試結(jié)果的不同，選擇不同容量大小的有源濾波器，但設(shè)計(jì)采用有源濾波器時(shí)仍需留有一定裕量?？紤]到各諧波測試點(diǎn)比較分散，諧波電流畸變率都很大，采用就地補(bǔ)償?shù)姆桨副容^合適。

表2 劇院項(xiàng)目諧波治理前后數(shù)據(jù)對比

經(jīng)過設(shè)備安裝后的設(shè)備聯(lián)調(diào)及單獨(dú)適配調(diào)整，在試運(yùn)行階段進(jìn)行了全部運(yùn)行數(shù)據(jù)的采集。諧波治理前后數(shù)據(jù)對比如表2所示。采集到的數(shù)據(jù)結(jié)果表明，在有源濾波裝置投入運(yùn)行后，系統(tǒng)電能質(zhì)量大幅提升，有源濾波裝置運(yùn)行正常，效果良好，達(dá)到了預(yù)期的補(bǔ)償效果。

將諧波治理前后的舞臺燈光的波形、頻譜圖對比可以發(fā)現(xiàn)(諧波治理后波形、頻譜圖如圖4所示)，在波形圖中電壓和電流波形的畸變明顯減少，接近標(biāo)準(zhǔn)正弦波。而在頻譜圖中，系統(tǒng)中主要的5次和7次諧波含量明顯減小，高次諧波基本都得到了消除。

4.3 治理效益

在采用有源濾波器對諧波污染進(jìn)行治理后，首先可以使配電系統(tǒng)得到的效益包括：

1)減少諧波含量，避免系統(tǒng)電路可能會發(fā)生的并聯(lián)諧振而引起的燒毀，保證設(shè)備的正常運(yùn)行；

2)減少線路的銅損以及中線電流線路損耗，提高線路帶載能力、功率因數(shù)和供電質(zhì)量；

3)減少控制設(shè)備和繼電保護(hù)裝置誤動作或拒動作，提高供電的安全和可靠性；

4)減小變壓器的附加損耗，降低噪聲，提升變壓器和配電線纜的帶載能力。

綜上，在系統(tǒng)嚴(yán)重的諧波污染得到治理后，系統(tǒng)整體運(yùn)行效率將會得到提升，舞臺燈光、機(jī)械設(shè)備的穩(wěn)定運(yùn)行也可以得到有力的保障，因此諧波治理對該劇院的效益十分巨大。

6 結(jié)束語

諧波是電能質(zhì)量的核心問題之一，諧波治理是現(xiàn)代電力生產(chǎn)發(fā)展的迫切需要。有源電力濾波器成為治理諧波的有效工具，也是解決目前我國電能質(zhì)量污染日益嚴(yán)重的有效措施。隨著我國電力事業(yè)的發(fā)展，對電能質(zhì)量的要求將不斷提高，有源電力濾波器憑借巨大的技術(shù)優(yōu)勢和強(qiáng)大的功能最終必將得到廣泛應(yīng)用，通過APF進(jìn)行電能質(zhì)量治理有著巨大的市場潛力。

圖3 劇院項(xiàng)目諧波治理前波形、頻譜圖

圖4 劇院項(xiàng)目諧波治理后波形、頻譜圖

[1] 吳競昌.供電系統(tǒng)諧波[M].北京:中國電力出版社,1998.

[2] 呂潤馀.電力系統(tǒng)高次諧波[M].北京:中國電力出版社,1998.

[3] 謝運(yùn)祥，唐中琦.電力有源濾波器及其應(yīng)用技術(shù)的發(fā)展[J].電工技術(shù)雜志，2000，4：1-3.

[4] 王兆安，楊君，劉進(jìn)軍．諧波抑制和無功功率補(bǔ)償[M]．北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1998.

[5] 陳國柱，呂證宇，錢照明.有源濾波器的一般原理及應(yīng)用[J].中國電機(jī)過程學(xué)報(bào)，2000，20(9):17-21.